Глава 4. Выбор оптимальных параметров инфракрасного облучения крахмалосодержащего крупяного сырья

4.1. Влияние мощности лучистого потока и влажности круп при обработке инфракрасным излучением на изменение их структуры

Основными параметрами инфракрасной обработки являются величина энергетической облученности продукта (мощность лучистого потока, Е, кВт/м²), его температура, влажность [25, 59, 61].

Немаловажное значение имеют цели технологических операций, вид обрабатываемого сырья и требования к биологическим, биохимическим и другим видам изменений пищевого материала при инфракрасной обработке.

Специфическое воздействие инфракрасного излучения на биологические объекты связано с интенсификацией процессов биохимических превращений вследствие резонанса поглощаемой энергии и соответствующих частот колебаний определенных групп атомов в молекуле химическими связями -ОН, -СООН и др. Это приводит к ускорению процессов гидролиза, декстринизации, клейстеризации и др. [60].

Как правило, с ростом мощности лучистого потока, подаваемого на зерновое сырье, степень модификаций в биохимическом комплексе возрастает. Увеличивается содержание декстринов, количество высвобождаемой глюкозы, степень денатурации белка и т.д. Однако с повышением мощности облучения и температуры появляется риск неоднородности обработки продукта, подгорания его поверхности [35, 41, 91, 102]. Для высокотемпературных процессов применение инфракрасного излучения дает значительный эффект. Изменяя мощность подаваемой энергии, можно получать разнообразные продукты в соответствии с гаммой продуктов свойственных для пищеконцентратной промышленности.

Нами изучалось влияние мощности лучистого потока подаваемой энергии и влажности на характер изменения структуры крупяного крахмалосодержащего сырья (гречневая, перловая и рисовая крупы) в процессе термической обработки.

На рисунках 4.1.1, 4.1.2, 4.1.3. показана характеристика процесса обезвоживания круп при их нагреве.

Рисунок 4.1.1. Характеристика процесса обезвоживания перловой крупы при нагреве

Рисунок 4.1.2. Характеристика процесса обезвоживания гречневой крупы при нагреве

Рисунок 4.1.3. Характеристика процесса обезвоживания рисовой крупы при нагреве

Исследования влияния мощности лучистого потока на характер обезвоживания круп показал, что в зависимости от мощности излучения, влажности и вида крупы определяются две области перемещения влаги в крупах: область традиционной сушки (II), когда вода перемещается внутри крупы в виде жидкости и испаряется с поверхности, не нарушая целостность ее структуры, и область выпаривания влаги из крупы в основном в виде пара (I), о чем свидетельствует значительное повышение давления и разрыв структуры. Как показали исследования, характер кривых обезвоживания одинаков, но количественные соотношения энергии и влажности зависят от вида сырья. Так минимальная величина мощности лучистого потока переходного периода составляет для гречневой крупы 17 кВт/м², для перловой – 19 кВт/м², для рисовой – 23 кВт/м². Значение влажности при этом смещается в сторону ее увеличения с 14% до 16% и 18% для гречневой, перловой и рисовой круп соответственно.

С увеличением и уменьшением исходной влажности круп затраты энергии на парообразование значительно возрастают. Несимметричность возрастания энергетических затрат при парообразовании связана со спецификой форм и степени прочности связи воды с веществом и тканями круп, которая, как известно, выражается такими параметрами как энергия связи и плотность в различных условиях ее нахождения в крупах.

Согласно теории Ребиндера П.А. о формах и видах связи воды с материалом всю влагу коллоидного капиллярно-пористого тела можно разделить на четыре формы. В зернах и крупах существуют критические точки соответствующие 6,8 – 7,5%, что равноценно молекулярному слою воды в капиллярах сухого вещества. Плотность воды в этих условиях очень велика - 1,48 г/см³, а энергия связи близка к химически связанной воде и удаляется (испаряется) только прокаливанием. При повышении влажности плотность воды уменьшается и составляет 1,1 г/см³ при 12 – 13%. При дальнейшем повышении влажности выше 17% (адсорбированная вода) плотность ее остается постоянной и до 26 % составляет 0,97 г/см³. Повышение затрат энергии на испарение воды в крупе при увеличении исходной влажности с 17% и выше связано с увеличением количества свободной воды, теплоемкость которой почти в 3 раза больше теплоемкости сухого вещества крупы, что увеличивает энергозатраты на ее нагрев [27].

Так затраты энергии на парообразование воды при уменьшении ее содержания в крупах от 7 % и ниже (рис. 4.1.1. – 4.1.3.) увеличиваются в 20 – 25 раз, а количество образовавшегося пара настолько мало, что не приводит к резкому возрастанию давления в крупе и видимому разрушению ее структуры.

Существенное по сравнению с гречневой крупой повышение количества энергии, необходимой для термодеструкции рисовой крупы, связано с большей отражательной способностью ее белой поверхности. Так как, чем выше отражение инфракрасного излучения материалом, тем меньше его поглощательная способность и тем больше необходимая мощность облучения [25].

Смещение значения влажности гречневой, перловой и рисовой круп в сторону ее увеличения связано с повышением проницаемости крупы для инфракрасного излучения, что значительно улучшает поглощательную способность [60].

Исследования показали, что мощность лучистого потока подаваемого на крупы с низким влагосодержанием 6 – 7%, 8 – 9%, 10 – 11% необходимо ограничивать 36 кВт/м², 38 кВт/м², 35 кВт/м² для гречневой, перловой и рисовой крупы, так как при этом происходит обгорание поверхности перловой и гречневой крупы и пожелтение рисовой.

Проведенные исследования позволили нам определить энергетическую область термической обработки крупяного крахмалосодержащего сырья (перловой, гречневой и рисовой круп), в которой инфракрасная обработка позволяет создать градиент общего давления пара внутри зерновки, вызывающего ее термодеструкцию.